Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF BIOMEDICAL ENGINEERING
ELEKTROLÉČBA ELECTROTHERAPY
BAKLÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS
AUTOR PRÁCE MILAN SLAVÍČEK AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE doc. Ing. Milan Chmelař, CSc. SUPERVISOR
BRNO 2008
B i b l i o g r a f i c k á c i t a c e
Slavíček, Milan. Elektroléčba. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky
a komunikačních technologií, 2008. 51s. Vedoucí bakalářské práce: doc. Ing. Milan Chmelař,
CSc.
P r o h l á š e n í
„Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma "něco" jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce.
Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb.“ V Brně dne : Podpis:
P o d ě k o v á n í Děkuji tímto doc. Ing. Milanovi Chmelaři, CSc. za cenné připomínky a rady při vypracování
bakalářské práce.
V Brně dne : Podpis:
Abstrakt:
Cílem této práce je navrhnout jednoduchý generátor pro elektroléčbu. V úvodní části
se zabývá vlastnostmi tkání a rozdělením proudů používaných v elektroléčbě. Návrhová část
pak obsahuje návrh jednotlivých částí generátoru a výpočty potřebné k dosažení cíle.
Výsledkem je pak schéma jednoduchého generátoru pro tvorbu Träbertových proudů a
seznam potřebných součástek.
Abstract:
Aim those work is suggest simple generator for electropathy. In exordium deal with
features weaving and fission current used in the electrotherapy. Draft part then includes
proposal single part generator and calculations needed to achievement purposes. Result is then
diagram simple generator for production Träbert flows and list parts.
Klíčová slova:
elektroléčba, galvanoterapie, iontoforéza, Ledencův proud, Träbertův proud, diadynamický
proud (DD), TENS, interferenční proud, krátkovlnná diatermie (KVD), ultrakrátkovlnná
diatermie (UKVD), transformátor, AKO, MKO, voltmetr, derivační článek, vzorkovací
zesilovač, napěťová reference
Keywords:
electrotherapy, galvanotherapy, iontophoresis, Ledec current, , Träbert current, diadynamic
current , TENS, interferential flow, short – wave diathermy, ultra short - wave diathermy,
transformer, astable trigger circuit , bistable trigger circuit, voltmeter, differentiator, sampling
amplifer, voltage reference
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
5
OBSAH
1. ÚVOD .......................................................................................................................................... 8
2. ROZDĚLENÍ PROUDŮ A VLASTNOSTI TKÁNÍ................................................................ 9
2.1 AKTIVNÍ ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI ...................................................................................... 9
2.2 PASIVNÍ ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI....................................................................................... 9
2.3 STEJNOSMĚRNÝ PROUD......................................................................................................10
2.4 STŘÍDAVÝ PROUD .............................................................................................................. 10
3. GALVANOTERAPIE .............................................................................................................. 11
3.1 KLIDOVÁ GALVANIZACE .................................................................................................... 12
3.2 KONČETINOVÁ GALVANICKÁ KOUPEL (ČTYŘKOMOROVÁ)..................................................12
3.3 ELEKTROLÉČEBNÁ VANA ................................................................................................... 13
3.4 IONTOFORÉZA.................................................................................................................... 13
4. NÍZKOFREKVEN ČNÍ PROUDY .......................................................................................... 15
4.1 KLASICKÉ PROUDY............................................................................................................ 15
4.1.1 Leducův proud.............................................................................................................. 15
4.1.2 Träbertův proud ........................................................................................................... 16
4.2 DIADYNAMICKÉ PROUDY ................................................................................................... 16
4.3 TENS (TRANSKUTÁNNÍ ELEKTRICKÁ NERVOVÁ STIMULACE) ............................................ 17 4.3.1.1 TENS kontinuální ............................................................................................................. 19 4.3.1.2 TENS – salvy (burst) ........................................................................................................ 19 4.3.1.3 TENS – vlny (surge ) ........................................................................................................ 20 4.3.1.4 TENS – nízkofrekvenční .................................................................................................. 20
5. STŘEDNĚFREKVENČNÍ PROUDY..................................................................................... 21
5.1 INTERFERENČNÍ PROUDY ................................................................................................... 21
6. VYSOKOFREKVEN ČNÍ PROUDY ...................................................................................... 23
6.1 KRÁTKOVLNNÁ DIATERMIE (KVD) ................................................................................... 23
6.2 ULTRAKRÁTKOVLNNÁ DIATERMIE (UKVD)...................................................................... 24
7. NÁVRH GENERÁTORU........................................................................................................ 25
7.1 NAPÁJECÍ OBVODY............................................................................................................. 25
7.1.1 Transformátor a usměrnění.......................................................................................... 26
7.1.2 Napájení AKO a MKO ................................................................................................ 26
7.1.3 Napájení Voltmetru ...................................................................................................... 29
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
6
7.1.4 Napájení vysokonapěťového regulovaného zdroje ....................................................... 31
7.2 NÁVRH A VÝPOČET AKO A MKO S OBVODEM 555 ............................................................ 32
7.2.1 Astabilní klopný obvod ................................................................................................. 32
7.2.2 Monostabilní klopný obvod .......................................................................................... 36
7.2.3 Tranzistor jako spínač .................................................................................................. 38
7.3 MĚŘENÍ PROUDU PACIENTEM POMOCÍ VOLTMETRU........................................................... 39
7.3.1 Derivační článek .......................................................................................................... 39
7.3.2 Napájení vzorkovacího zesilovače................................................................................ 41
7.3.3 Vzorkovací zesilovač .................................................................................................... 41
7.4 VYSOKONAPĚŤOVÝ REGULOVATELNÝ ZDROJ.................................................................... 43
7.5 SCHÉMA ZAPOJENÍ ( DVĚ ČÁSTI ) .............................................................................. 44
7.6 SEZNAM POUŽITÝCH SOUČÁSTEK....................................................................................... 46
8. ZÁVĚR ...................................................................................................................................... 48
9. LITERATURA.......................................................................................................................... 49
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
7
SEZNAM OBRÁZK Ů
Obrázek 1: Přístroj pro čtyřkomorovou galvanickou koupel……………..…12
Obrázek 2: Zobrazení směru průchodu proudu……………………………...13
Obrázek 3: Uložení elektrod při aplikaci Träbertova proudu……………….16
Obrázek 4: DD proud se střídavou složkou…………………………………17
Obrázek 5: Možné druhy TENS impulzů…………………………………...18
Obrázek 6: Průběh proudu při DM = 100 %...................................................22
Obrázek 7: Typické zapojení 78L05 + nárazový kondenzátor………….…..27
Obrázek 8: Znázornění poklesu napětí na nárazovém kondenzítoru……..…28
Obrázek 9: Typické zapojení 78L08 + nárazový kondenzátor…………..….29
Obrázek 10: Astabilní klopný obvod s IO NE555……………………….….32
Obrázek 11: Průběh napětí na kondenzátoru na výstupu AKO………….….33
Obrázek 12: Monostabilní klopný obvod s IO NE555……………………...36
Obrázek 13: Průběh výstupního napětí na kondenzátoru…………………....37
Obrázek 14: Zapojení představující tranzistor jako spínač……………….…38
Obrázek 15: Derivační článek…………………………………………….…39
Obrázek 16: Zobrazení průběhu derivačního článku……………………..…40
Obrázek 17: Schéma zapojení napěťového měniče……………………....…41
Obrázek 18: Zapojení Vzorkovacího zesilovače……………………………42
Obrázek 19: Funkční schéma obvodu LF398N……………………………..42
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
8
1. ÚVOD
Elektroléčba jako taková patří do celku nazvaném fyzikální léčba. Kromě
elektroléčby sem můžeme zařadit také fyziatrii, jejímž cílem je zvyšovat
obranyschopnost organismu. Hydroterapie a termoterapie, kde se využívá tepla a
chladu na organismus. Fototerapie se zabývá účinky světla různého druhu, např.
infračervené světlo, UV záření nebo laser. Mezi další léčby patří také
magnetoterapie, inhalační léčba, mechanoterapie a muzikoterapie.
Při elektroléčbě se využívá léčebných účinků elektrického proudu. Účinky
jsou převážně analgetické a stimulační. Dochází při nich ke zlepšení prokrvení tkání,
uvolnění napětí nebo také k posílení svalstva. Elektroléčebné účinky jsou pak dány
jednak tvarem léčebného proudu a jeho frekvencí , ale také velikostí proudu, který
prochází tělem pacienta, který se může u jednotlivých pacientů lišit, podle
subjektivního vnímání.
Například v galvanoterapii se využívá účinků kontinuálního stejnosměrného
proudu. Dále můžeme proudy rozdělit na nízkofrekvenční, středněfrekvenční a
vysokofrekvenční .
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
9
2. ROZDĚLENÍ PROUDŮ A VLASTNOSTI TKÁNÍ
Při průchodu proudu tkáněmi a orgány, který se do organismu dostává
zevními zdroji jsou vykazovány aktivní elektrické vlastnosti ( vznikají na
membránách nervových a svalových buněk) a pasivní elektrické vlastnosti (říkají
nám něco o chování organismu v elektrickém poli.
2.1 AKTIVNÍ ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI
- Membránový potenciál - je vlastně rozdíl elektrického potenciálu mezi dvěma
stranami biologické membrány. Jestliže je buňka v klidu, jedná se o klidový
potenciál (vykazují jej všechny živé buňky), při podráždění vznikne akční
potenciál, při podráždění pak hovoříme o akčním potenciálu (dojde k otevření
iontových kanálů, čímž se pro některé ionty zmenší propustnost).
- Membránovým potenciálem pak rozumíme rozdíl elektrického potenciálu
(napětí ) mezi dvěma stranami biologické membrány.
- Membránový potenciál je také způsoben nerovnoměrnou koncentrací iontů na
obou stranách buněčné membrány.
2.2 PASIVNÍ ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI
- živá tkáň patří mezi vodiče II.třídy, která se od vodičů I. Třídy odlišuje makro
i mikroskopickou nehomogenností a to proto, že se jedná o heterogenní
prostředí.
- Samotnými membránami projde jenom asi 2 až 3% z celkového proudu. To
proto, že při průchodu stejnosměrného proudu kladou velký odpor. Nejlépe
proud vede především krev, mozkomíšní mok a svaly.
- Odpor mokré kůže je přitom až 100 krát menší než odpor suché kůže.
- U střídavých proudů je důležitá jeho frekvence. Nejdráždivější účinek je při
frekvenci kolem 100 Hz, který přibližně při 10 KHz zaniká.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
10
2.3 STEJNOSMĚRNÝ PROUD
K šíření stejnosměrného proudu tkáněmi dochází pohybem kationů a anionů a
to především mezibuněčnou tekutinou z důvodu kladení velkého odporu buněčnými
membránami. Vzniká tak elektrolytický účinek na tkáň. Odpor tkáně je pak tím
menší, čím více elektrolytu obsahuje a čím volnější je pohyb iontů. Dochází zde
k elektrickému rozkladu tkání, což vede ke změně pH. Dráždivý účinek proudu se
však projevuje pouze při zapnutí, při vypnutí, rychlém zesílení nebo zeslabení
proudu. Stupeň bolesti, který je organismem vnímán závisí na velikosti proudu.
Běžná velikost proudu, používaného při elektroléčbě, je malá a malý je potom i
tepelný účinek na organismus.
2.4 STŘÍDAVÝ PROUD
Dráždivý účinek proudu roste asi do frekvence 100 Hz, po té pozvolna klesá,
tepelný efekt však setrvává. Při frekvencích kolem 10 kHz se pomalu přestává
projevovat dráždivý účinek. Vysokofrekvenční proud má již jen tepelné účinky. Na
rozdíl od stejnosměrného proudu, proud střídavý nemá elektrolytické účinky. Při
nízkých frekvencích mají membrány (podobně jako u stejnosměrného proudu) při
průchodu proudu velký odpor, který se však se vzrůstající frekvencí zmenšuje
v důsledku zmenšujícího se kapacitního odporu. Dochází k jakémusi přemostění
buněčné membrány. Proud protékající tkáněmi se řídí Ohmovým zákonem.
Střídavý proud můžeme rozdělit s ohledem na frekvenci :
- Nízkofrekvenční ( do 1000 Hz)
- Středofrekvenční ( od 1000 Hz do 100 kHz ; v praxi 2500 Hz až 12 kHz)
- Vysokofrekvenční ( nad 100 kHz)
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
11
3. GALVANOTERAPIE
Při galvanoterapii se využívá stejnosměrného proudu o stálé intenzitě
s maximální proudovou hustotou asi 0,1 mA/cm2. Proudová hustota je tedy závislá
na velikosti proudu a ploše elektrod.
Tkáněmi je veden především elektrolyticky, částečně i elektroforeticky (pohybem
elektricky nabitých koloidních částic ). Poměrně snadno prochází tkáněmi s velkým
obsahem vody a bílkovin, největší odpor průchodu galvanického proudu klade kůže,
zejména povrchové vrstvy. Průchodem proudu dochází k chemickým změnám, což
vede ke zvýšení pH pod katodou a ke zvýšení citlivosti, na anodě naopak ke snížení
pH a k tlumení bolesti. Účinek vzniká tak, že zvýšíme prokrvení tkání pod
elektrodou, čímž urychlíme vstřebávání zánětlivých infiltrátů a dojde ke zmenšení
bolesti. Prokrvení svalů je až trojnásobné oproti klidu.
Využívá se toho při úrazech, zánětech, onemocnění pohybového aparátu ,
degenerativních změnách, chronických kloubních onemocněních, zánětech
periferních nervů a žil.
Účinky galvanického proudu mezi elektrodami:
- Děj na elektrodách - U katody vznikají vlivem elektrolýzy vodivého roztoku,
který obsahuje ionty Na+ a Cl- , alkalické zplodiny. Jejich neutralizace se
uskutečňuje pomocí kyseliny chlorovodíkové, kterou obsahuje katodový
ochranný roztok v přiměřené koncentraci. Kdyby nedošlo k neutralizaci, tak
by vzniklé OH- ionty způsobily poleptání kůže. U anody vznikají vlivem
elektrolýzy vodivého roztoku , který obsahuje ionty Na+ a Cl- , kyselé
zplodiny. U anody se neutralizace provádí hydroxidem sodným, který je
taktéž v přiměřené koncentraci obsažen v anodovém ochranném roztoku,
čímž se zabraňuje případnému poleptání.
- Děj v místě styku kůže s elektrodovou podložkou - jedná se o místo, na
kterém dochází k výměně iontů. Tohoto se hojně využívá při iontoforetické
aplikaci léků z elektrodové podložky do kůže
- Děj ve tkáních - dochází k polarizaci tkání (koncentrická, acidobazická,
chemická , membránová), na kterou navazuje hyperemie.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
12
3.1 KLIDOVÁ GALVANIZACE
Využívá se nepřerušovaného proudu s hloubkovým i povrchním účinkem.
V závislosti na umístění elektrod ji můžeme rozdělit na:
- Příčná: Umístnění elektrod napříč svalem. Důležité je nezaměnit elektrody.
Použití zejména v posttraumatických stavech.
- Podélná: Umístnění elektrod podélně. Použití pro funkční poruchy prokrvení.
3.2 KONČETINOVÁ GALVANICKÁ KOUPEL
(ČTYŘKOMOROVÁ)
Galvanický prou zde působí ve vodním prostředí. Proud může proudit
z horních nebo z dolních končetin. V závislosti na směru toku proudu můžeme
snižovat nebo zvyšovat krevní tlak.
Svojí podstatou se jedná o zvláštní případ podélné galvanizace. Teplota
koupele bývá obvykle 35 až 36 °C. Při dostatečně dlouhém působení proudu dochází
k polarizaci tkání. U končetin, jež jsou připojeny na katodu dochází ke zvýšení
nervové dráždivosti a u končetin připojených na anodu naopak ke snížení
dráždivosti.
Intenzita proudu nepřekračuje u dvoukomorové 20 mA a u čtyřkomorové 40
mA. Použitá se např. při poruchách prokrvení, při akutních posttraumatických
stavech.
Obrázek 1: Přístroj pro čtyřkomorovou galvanickou koupel
převzato z http://www.fysiomed.cz/
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
13
3.3 ELEKTROLÉ ČEBNÁ VANA
Jde o zařízení, které umožňuje, během celkové koupele, působení
galvanického proudu na celé tělo. Vana samotná musí být elektricky nevodivá. Směr
proudu můžeme podle zapojení různě měnit ( levopravé, pravolevé, sestupné,
vzestupné).
Množství proudu, který který skutečně pacientem protéká nelze ani
odhadnout, to z toho důvodu, že vodivost koupele je mnohem větší než vodivost
kůže. Proto se intenzita nastavuje podle pocitů pacienta, maximálně však 300 mA.
Pacient se při proceduře nesmí hýbat, vynořovat končetiny nebo opustit vanu.
Obrázek 2: Zobrazení směru průchodu proudu
3.4 IONTOFORÉZA
Podstatou iontoforézy je vpravování léčivých látek do kůže nebo sliznic a to ve
formě iontů nebo elektricky polarizovaných koloidů. Působení vychází z poznatku,
že částice, které mají stejný elektrický náboj se odpuzují a částice s opačným
nábojem se přitahují. Proto se kationy aplikují z anody a aniony z katody. Elektroda
s účinným roztokem označujeme jako aktivní, druhou jako indiferentní.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
14
Přehled látek (iontů), které lze podávat z jednotlivých elektrod:
ANODA: adrenalin, histamin, prokain, mezokain, vápník, kalium, kalcium, draslík,
hyaluronidáza, thiamin, Ichtyol, Thiamin, Phenecetin,…
KATODA: jodid, kyselinu askorbovou, acetát, salicyl, Indomethacin, Mobilat,
Voltaren Emulgel,…
Mechanismus účinku:
- účinek galvanického proudu
- lokální účinek vpravovaného iontu v povrchových vrstvách kůže
- reflexní ovlivnění příslušného segmentu
- celkový účinek vpravované látky
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
15
4. NÍZKOFREKVEN ČNÍ PROUDY
Mohou to být proudy pulzní nebo proudy s frekvencí do 1 KHz. Rozdělit je můžeme
podle frekvence, tvaru impulzu a podle použité intenzity.
Možné účinky nízkofrekvenčních proudů:
• Dráždivé:
Dráždivý účinek proudů rozlišujeme podle intenzity působení:
- prahový či nadprahově senzitivní : Frekvenční optimum je mezi 50 až 100
Hz, kdy se projevuje analgetický účinek
- prahový či nadprahově motorické: Každý samostatný impuls vyvolá při
působení na kosterní sval kontrakci s následným záškubem. Použitím více
impulsů závisí účinek na zvolené frekvenci.
- prahově alogická: Dochází k dráždění C vláken a ke zvýšení tvorby
endorfinů, které tlumí pocit bolesti. Optimální frekvence 2 až 10 Hz.
• Hyperemizační
Zlepšený průtok arteriální krve je způsoben:
- účinkem na sympatická vlákna
- lokálním zvýšením sekrece biogenních aminů
4.1 KLASICKÉ PROUDY
4.1.1 Leducův proud
Leducův proud je pravoúhlý, impulsní proud s periodou 10 ms, kde šířka impulzů je
1 ms. Účinek vzniká na základě vrátkové teorie tlumení bolesti.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
16
4.1.2 Träbertův proud
Tento proud je monofázický, pravoúhlý a pulzní, má výrazný analgetický a
hyperemizační účinek. Frekvence impulzů je 143 Hz ( šířka impulzu - 2 ms ,
pauza – 5 ms). Intenzita proudu má být na hranici tolerance pacienta.
Träbertovy proudy jsou užívány při neuralgiích, ischemickém syndromu končetin a
při obtížně hojivých zraněních.
a) b) c) d)
Obrázek 3: Uložení elektrod při aplikaci Träbertova proudu
a) uložení elektrod pro oblast horních končetin
b) uložení elektrod pro horní hrudní páteř
c) uložení elektrod pro oblast bolesti v kříži
d) uložení elektrod pro bederní páteř a dolní končetiny
4.2 DIADYNAMICKÉ PROUDY
Proudy nízké frekvence a proměnlivé amplitudy. Základem DD proudu je
nízkofrekvenční, sinusový, monofázický proud, který se sčítá s galvanickou složkou.
Výběrem vhodných parametrů můžeme získat analgetický účinek a také zlepšení
místního oběhu. Při aplikaci DD proudy musme počítat s možným leptavým
účinkem, protože se tu vyskytuje stejnosměrná složka jedné polarity. Proto za
bezpečnou dobu lze považovat 6 minut. Při delší době musíme provést přepólování
elektrod. Maxima se dosahuje při léčbě ischemické choroby dolních končetin, a to
25 minut. Délka aplikace se zvětšuje v závislosti na ploše, kterou se snažíme
ovlivnit, a na hloubce procesu ve tkáni. Při akutních stavech lze aplikovat i 2x denně,
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
17
nejčastěji 1x denně, při udržovací terapii 1x týdně. Variabilita je velká. Celkem 5-10
aplikací.
Obrázek 4: DD proud se střídavou složkou
Typy DD proudů:
- jednoduchý impulzní proud
- dvojitý impulsní proud
- proudy střídající se v krátké periodě
- proudy střídající se v dlouhé periodě
- synkopový rytmický proud
- modulovaný jednoduchý impulsní proud
- isodynamický proud
4.3 TENS (TRANSKUTÁNNÍ ELEKTRICKÁ NERVOVÁ
STIMULACE)
TENS jsou nízkofrekvenční pulzní proudy, kde jsou obvykle jednotlivé
impulzy kratší než 1 ms, nejčastěji 10 až 750 µs a používají se k dráždění nervových
kmenů, případně vláken. Mezi nejúčinnější impulzy patří impulzy asymetrické
bifázické. U těchto impulzů však vznikají galvanické leptavé účinky, protože mají
nestejně velkou kladnou a zápornou část. Z toho důvodu je nelze dlouhodobě
používat.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
18
TENS proudy se vyznačují silným analgetickým účinkem, čehož se využívá i
při tlumení intenzivního svědění, které doprovází hojení popálenin.
Elektrody bývají umístěny nejčastěji do místa bolesti, případně u končetin
nad nervem, který bolest podněcuje nebo také na akupunkturní body, které se v dané
oblasti nachází.
Druhy používaných impulzů:
- impulsy asymetricky bifázické – mají rozdílný tvar i plochu kladné a záporné
půlvlny. Mají však galvanické účinky.
- impulzy symetrické bifázické – mají shodnou kladnou i zápornou půlvlnu a
nemají tedy galvanické účinky.
- impulzy bifázické, alternující - Jde o tvarově identické impulzy, u nichž se
- polarita mění v každé periodě. Nemají galvanické účinky.
Obrázek 5: Možné druhy TENS impulzů
Teorie působení:
1) Vrátková teorie:
Podle ní lze bolest tlumit tak, že poblíž jejího epicentra stimulujeme vedlejší
nerv (například brněním nebo vpichy). Lidské vědomí dokáže zpracovat jen
omezený počet podnětů, takže se přesměruje na brnění a na bolest zapomene.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
19
Lze to řící i tak, že vzruchová aktivita v pomalých vláknech C převládá nad
vzruchovou aktivitou rychle vedoucích vláken. Impulsy vedené A vlákny vedou
k uzavírání těchto vrátek. A vlákna ovlivňují SG - neurony excitačně, tj.vzrušivě
a tak zesilují jejich presynaptickou inhibici. Aktivita C vláken má tendenci
vrátka otevírat, propouštět impulsy.
2) Endorfinová teorie: Vychází z objevu látek, které mají opiátový charakter. Jde o látka, které
organismus sám vytváří při poranění nebo při velkém stresu. Pro dráždění C
vláken je potřeba větší intenzita o frekvenci 2 až 8 Hz.
4.3.1.1 TENS kontinuální
Využívá se frekvencí 50 až 200 Hz s dobou trvání impulzu 70 až 300 µs.
Intenzita pulzů má být nadprahově senzitivní, mají teda dobrou snášenlivost, která
při vhodném tvaru pulzu nezpůsobuje leptavé účinky.
Nevýhodou však může být rychlá adaptace tkáně na průchod proudem,
v důsledku toho tak může dojít až k vymizení účinku. Adaptaci tkáně je však možné
kompenzovat buď zvyšováním intenzity a nebo použitím tzv. randomizování
(náhodné generování ), při němž dochází k náhodné změně frekvence, obvykle
v rozsahu 30 % od nastavené hodnoty.
4.3.1.2 TENS – salvy (burst)
Jsou to jednotlivé impulzy s nastavitelnou základní frekvencí , nejčastěji
kolem 100 Hz. Délka každého impulzu je 10 až 100 µs. Impulzy jsou seskupeny
do tzv. salv, přičemž v každé salvě bývá okolo 5 impulzů. V každé sekundě pak
bývá 1 až 10 salv, v závislosti na nastavení.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
20
4.3.1.3 TENS – vlny (surge )
Jde o amplitudově modulovaný, většinou bifázický proud s možností nastavení
délky impulzu. Délka skupiny impulzů je nastavitelná v širokém rozmezí (1 až
60s), pauza mezi skupinami také ( 1 až 99 s). Délka impulzu musí být dostatečně
velká k vyvolání svalové kontrakce. Pokud je délka impulzu příliš krátká, pak ani
při maximální intenzitě, kterou můžeme na přístroji nastavit, nedosáhneme
nadprahově senzitivní subjektivní intenzity.
Použití např. v elektrogymnastice. Tento druh proudu bývá nejlépe tolerován.
4.3.1.4 TENS – nízkofrekvenční
Využití především při stimulaci zavedených akupunkturních jehel – AKU-
TENS nebo při perkutánním dráždění akupunkturních bodů – APL – TENS.
Vždy se používá intenzita na prahu tolerance.
Parametry stimulace se provádějí metodou pokus omyl. I při této stimulaci
dochází k návyku.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
21
5. STŘEDNĚFREKVENČNÍ PROUDY
Tyto proudy jsou tkáněmi vedeny především kapacitně , neboť snadno
překonávají kožní odpor. Pro praktické účely bývají používány i proudy o
frekvenci 2500 až 12000Hz, avšak patří sem proudy s frekvencí 1kHz až 100
kHz. Jistým nedostatkem těchto proudů je fakt, že vyvolávají jen malé dráždivé
účinky. Proto se provádí konverze středněfrekvenčních proudů na proudy
nízkofrekvenční způsoby:
- tetrapolární aplikace – klasická interference a její varianty
- bipolární aplikace – nesprávně amplitudová modulace nebo bipolární
interference
Při použití tetrapolární aplikace dochází v tkáni ke křížení dvou
nemodulovaných středněfrekvenčních proudů. Ke křížení dochází proto, že se
používají dvě dvojice elektrod, mezi nimiž prochází proud. V místě překřížení
vzniká proud, který je roven aritmetickému průměru frekvencí a obalových
křivek obou proudů.
Použití bipolární aplikace znamená použít nízkofrekvenční amplitudovou
modulaci středněfrekvenčního střídavého proudu už v přístroji.
5.1 INTERFERENČNÍ PROUDY
Léčba těmito proudy je založena na principu interference dvou
středněfrekvenčních proudů přímo ve tkáni. Jeden okruh přivádí do tkáně konstantní
frekvenci 5000Hz, druhý okruh má kolísavou frekvenci ve volitelném rozsahu od
5000 do 5100Hz. V místě zkřížení obou okruhů se interferencí uplatňuje diferenční
nízká frekvence, která je dána rozdílem frekvencí obou střídavých proudů (vektorový
součet) a pohybuje se v rozsahu od 0 do 100Hz.
Výhodou je snadné překonávání kožního odporu, velká tolerance tkáně pro malé
motorické a senzitivní dráždění a vznik nízké frekvence v hloubce nemocné tkáně.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
22
Amplitudová modulace (AM)
– amplitudovou modulací rozumíme postupné zvyšování intenzity jednotlivých
impulzů a ž k maximu a poté postupné snižování amplitudy jednotlivých impulzů až
k nule nebo do záporného maxima, které vznikají překřížením proudových okruhů..
Míru překřížení vyjadřujeme tzv. hloubkou modulace (AM).
Při maximální DM ( 100 % AM ) amplituda klesá k nule. Při maximální DM
je největší účinek. 50 % AM je ještě účinná, ale amplituda již klesá jen na polovinu
svého maxima a při 0 % AM se amplituda žádným způsobem nemění a není tu tedy
žádný dráždivý účinek.
Výhodou této modulace je fakt, že účinná frekvence vzniká až v tkáni a
zatěžuje tak kůži a tkáň jen minimálně.
Obrázek 6: Průběh proudu při DM = 100 %
Frekvenční modulace (FM)
– postupná nebo náhlá změna frekvence
Kombinovaná monofázická modulace (AFM)
– kombinace amplitudové a frekvenční modulace
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
23
6. VYSOKOFREKVEN ČNÍ PROUDY
Při průchodu těchto proudů tkáněmi dochází ke vzniku tepla, to proto, že se
šíří jako posuvný proud a proniká teda hlouběji do tkáně. Při vzniku tepla se zlepšuje
výživa tkání, látková výměna,podpora resorpce výpotků a otoků, relaxace,
analgetický účinek a další. Pro terapeutické účely se používá střídavý harmonický
proud s frekvencí nad 100 kHz.
Proudy nemají dráždivý účinek ani při vysokých intenzitách a mají tedy
nulový dráždivý účinek. Prohřívání vysokofrekvenčními proudy je tím větší, čím je
vlnová délka kratší. Prohřívání je však také závislé na způsobu aplikace, kdy je proud
u jednotlivých typů diatermií rozdílný.
6.1 KRÁTKOVLNNÁ DIATERMIE (KVD)
V současnosti je to nejrozšířenější metoda využívající vysokofrekvenční
proudy. Protože se jedná o bezkontaktní elektroterapii a vysoké frekvence se
používají také v rozhlasové a televizní technice, používá téměř výhradně frekvence
27,12 MHz,. Je to tak proto, že je stanoveno mezinárodní dohodou a to z důvodu
toho, aby nedocházelo k vzájemnému rušení signálů, zejména již zmíněného
rozhlasového a televizního vysílání apod. Toto se týká i UKVD.
KVD můžeme aplikovat dvojím způsobem:
1) Kondenzátorovým polem (dielektrotermie)
Používají se dvě elektrody, které představují desky kondenzátoru, tkáň pak
dielektrikum tohoto kondenzátoru. Elektrody samotné se zahřívají málo. U zahřívané
tkáně se však přibližně 10 krát více zahřívá tuková tkáň oproti svalové. Účinek lze
zvýšit použitím nestejně velkých elektrod, přičemž větší hustota pole je pod menší
elektrodou.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
24
2) Indukčním polem spirály (induktotermie)
Jde o prohřívání v elektromagnetickém poli, kdy ve tkáních vznikají vířivé
proudy a následně teplo. Při použití konstantního proudu a nepohybujícího se vodiče
se jedná o stacionární magnetické pole, použitím střídavého proudu pak
nestacionární magnetické pole. Nejslabší proudy jsou indukovány pod středem
smyčky a nejsilnější pod závity. Protože indukční pole působí více do hloubky,
prohřívají se dobře svaly a špatně tuky, kdy polovina tepla se absorbuje v 2 cm
povrchové vrstvy svalu.
Na rozdíl od kapacitní metody se u indukční výrazně ohřívají kovové
materiály a poměr prohřátí tukové tkáně ku svalům je 1:1.
Intenzita KVD:
- D I – termické prohřívání, bez subjektivního pocitu tepla
- D II – pocit mírného tepla
- D III - pocit příjemného tepla
- D IV – pocit snesitelného tepla
6.2 ULTRAKRÁTKOVLNNÁ DIATERMIE (UKVD)
Ultrakrátkovlnná diatermie využívá frekvenci 433,92 MHz a 915 MHz.
Zvláštností UKVD je možnost použití žlabového zářiče, který má pravoúhlý
dutinový tvar a je určen k ozařování velkých oblastí.
Použití UKVD našlo uplatnění především pro dobrý hloubkový účinek
(maximální absorpce je ve svalech) a pro malé zatížení tukové tkáně a kůže, které je
lepší než při mikrovlnách.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
25
7. NÁVRH GENERÁTORU
Při návrhu jednoduchého generátoru pro elektroléčbu, který umožní aplikaci
monofázického Träbertova proudu s maximálním proudem pacientem 80 mA
musíme nejdříve navrhnout jednotlivé části, z kterých se výsledný zařízení bude
skládat.
Protože má být obvod napájen ze sítě budeme potřebovat transformátor pro
transformaci napětí. Např. firma ELEKTROKOV, a.s. ZNOJMO vyrábí jakékoliv
transformátory na zakázku.
Pravoúhlé pulzy, z kterých se Träbertův proud skládá vytvoříme kombinací
stabilního klopného obvodu (AKO) a monostabilního klopného obvodu (MKO). Na
vytvoření obou obvodů použijeme použijeme obvod 555.
Pro vytvoření zesilovacího obvodu musíme nejdříve odhadnout odpor
pacienta společně s elektrodami. Odhad činí přibližně 2 kΩ, což při maximálním
proudu 80 mA odpovídá hodnotě napětí 160 V. Tento odpor závisí na ploše elektrod,
kterými se dostává proud do pacienta a také na samotné předpřípravě kůže
(odbroušení odumřelých buněk kůže). Obvod, kterým získáme napětí až 160 V se
nazývá vysokonapěťový regulovaný zdroj. Tento obvod obsahuje také proudovou
pojistku, takže omezení proudu na 80 mA by neměl být problém.
Obvod, pomocí kterého budeme odečítat velikost proudu, který protéká
pacientem bude obsahovat prvky typu vzorkovací zesilovač a LCD displej.
7.1 NAPÁJECÍ OBVODY
Pro to, abychom mohli zvolit jednotlivá napětí pro napájení jednotlivých částí
obvodu musíme nejdříve znát velikost napájecího napětí a jeho toleranci. Efektivní
velikost napětí je Un = 230 V± 10%, což odpovídá hodnotám v rozmezí 207 až 253V.
Jestliže to převedeme na napětí špička-špička jde o hodnoty 292,7 až 357,8 V. Obě
dvě hodnoty jsou pro nás důležité, protože napěťová úroveň při níž jednotlivé
součástky jsou schopny pracovat je omezená.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
26
Napětí v primární oblasti transformátoru již tedy známe. Nyní musíme určit
napětí na jednotlivých sekundárních vinutích.
7.1.1 Transformátor a usměrnění
Námi zvolené hodnoty napětí na sekundárním vynutí jsou 137V, 12V a 9V.
Nyní již zbývá jen vybrat druh transformátoru a jeho výkon ve VA.
Nám bude plně postačovat, z hlediska bezpečnosti, jednofázový transformátor
EI v dvoukomorovém provedení a s výkonem 30 VA.
Rozložení výkonu podle jednotlivých sekundárních vynutí:
- 137 V : 28,7VA odpovídá maximálnímu proudu 209 mA
- 12 V : 0,3 VA odpovídá maximálnímu proudu 25 mA
- 9V : 1,0 VA odpovídá maximálnímu proudu 111 mA
K usměrnění jednotlivých sekundárních napětí použijeme čtveřici
usměrňovacích diod, zapojených do můstkového zapojení.
Poznámka: Navržený transformátor vyrobí firma ELEKTROKOV, a. s. ZNOJMO
7.1.2 Napájení AKO a MKO
Pro napájení těchto obvodů zvolíme napájecí napětí 5V. Důvodem je, že
MKO budeme využívat nejen jako zdroj impulzů, kterým budeme spínat tranzistor,
ale také jej budeme využívat jako zdroj spínacích impulzů pro vzorkovací zesilovač,
který pacuje s TTL logikou.
Ke stabilizaci napětí použijeme obvod 78L05, který je schopen dodávat proud
až 0,1A.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
27
Parametry obvodu 78L05:
- vstupní napětí: maximálně 30 V
- minimální rozdíl napětí mezi vstupem a výstupem obvodu: 1,7 V
- výstupní napětí: 4,6 – 5,4 V
Obrázek 7: Typické zapojení 78L05 + nárazový kondenzátor
Kondenzátory Ci1 a Co1 – jejich hodnoty jsou výrobcem doporučené hodnoty.
Výpočet nárazového kondenzátoru:
Zvolíme si dostatečně velký proud, který bychom neměli překročit: IMAX = 50mA
Potom zátěž pro tento obvod vypočteme ohmovým zákonem:
MAXz I
UoR = (1)
Ω=== 10050
5
mA
V
I
UoR
MAXz
Z předchozího vyplívá, že minimální přípustné napětí na vstupu stabilizátoru
je 6,7V. Jestliže tedy na sekundárním vynutí máme napětí 9 V, pak v rámci
tolerance sítě zde budou špičkové hodnoty napětí v rozmezí 11,5 až 14 V. Nejvyšší
hodnota je tak v souladu s maximálním vstupním napětím obvodu 78L05. Pro
výpočet nárazového kondenzátoru však využijeme nižší hodnotu napětí.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
28
Obrázek 8: Znázornění poklesu napětí na nárazovém kondenzítoru
Nejdříve musíme zjistit dobu, po kterou bude docházet vybíjení kondenzátoru.
t = t’ + t’’ (2)
t’ - odpovídá době trvání 1/200 s
t’’ – odpovídá době 0,0021 s (odečteno z pomocné tabulky pro výpočet nárazového
kondenzátoru)
t = t’ + t’’ = 5 ms + 2,1 ms = 7,1 ms (2)
ze vztahu (3) odvodíme C, který představuje nárazový kondenzátor.
RzC
t
C eUU−
⋅= (3)
CR
t
C
zeU
U−
=
CR
t
U
Uc
z
−=ln
Uc
UCRt z ln⋅= ⋅
Uc
UR
tCC
z
N
ln1
⋅== (4)
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
29
Velikost nárazového kondenzátoru tedy bude:
⇒=
⋅Ω=
⋅= F
V
V
ms
Uc
UR
tC
z
N µ132
7,6
5,11ln100
1,7
ln1
Pro splnění našich podmínek postačuje kondenzátor o vypočtené velikosti. O
takovéto kapacitě se však nevyrábí. Proto volíme, s přihlédnutím k vlastnostem
obvodu kapacitu kondenzátoru nejbližší vyšší.
CN1 = 220µF/16V
7.1.3 Napájení Voltmetru
Pro měření proudu, který bude protékat tělem pacienta použijeme voltmetr.
Velikost napětí v milivoltech bude odpovídat velikosti proudu protékajícího
pacientem v miliampérech.
Základní parametry Voltmetru:
- max. vstupní napětí: 199,9 mV
- napájení: 6 – 9 V DC/ 1mA
- vstupní impedance: > 100 MΩ
- přesnost: ± 0,5 %
Při napájení této části použijeme stabilizátor 78L08, který je schopen na svůj
výstup dodávat až 100 mA, ale v našem případě budeme odebírat proud mnohem
menší.
Obrázek 9: Typické zapojení 78L08 + nárazový kondenzátor
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
30
Kondenzátory Ci2 a Co2 – jejich hodnoty jsou výrobcem doporučené hodnoty.
Při výpočtu nárazového kondenzátoru budeme postupovat obdobně jako při návrhu
nárazového kondenzátoru u předchozího obvodu.
Parametry obvodu 78L08:
- vstupní napětí: maximálně 30 V
- minimální rozdíl napětí mezi vstupem a výstupem obvodu: 1,7 V
- výstupní napětí: 7,3 – 8,6 V
IMAX = 10 mA
Potom zátěž pro tento obvod vypočteme podle vzorce (1).
Ω=== 80010
8
mA
V
I
UoR
MAXz
U tohoto obvodu musíme tedy mít na vstupu minimálně 9,7 V. Jestliže tedy na
sekundárním vynutí máme napětí 12 V, pak v rámci tolerance sítě zde budou
špičkové hodnoty napětí v rozmezí 15,2 až 18,6 V. Nejvyšší hodnota je tak v souladu
s maximálním vstupním napětím obvodu 78L08. Pro výpočet nárazového
kondenzátoru však využijeme nižší hodnotu napětí.
Nyní zjistíme dobu vybíjení kondenzátoru.
t = t’ + t’’ (2)
t’ - odpovídá době trvání 1/200 s
t’’ – odpovídá době 0,0022 s (odečteno z pomocné tabulky pro výpočet nárazového
kondenzátoru)
t = t’ + t’’ = 5 ms + 2,2 ms = 7,2 ms (2)
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
31
Podle vzorečku (4) vypočteme velikost nárazového kondenzátoru.
⇒=
⋅Ω=
⋅= F
V
V
ms
Uc
UR
tC
z
N µ20
7,9
2,15ln800
2,7
ln2
Volíme nejbližší vyšší a to ze stejných důvodů jako u kondenzátoru CN1.
CN2 = 22 µF/25V
7.1.4 Napájení vysokonapěťového regulovaného zdroje
U tohoto obvodu budeme počítat pouze velikost nárazového kondenzátoru.
Splněna musí být podmínka vstupního napětí, které má být větší nebo rovno 170V.
Zvolíme IMAX = 120 mA
Zátěž vypočteme podle vzorce (1).
Ω=== 1417120
170
mA
V
I
UoR
MAXz
Nyní zjistíme dobu vybíjení kondenzátoru za podmínek, že na sekundárním vynutí
máme 137 V v efektivní hodnotě.
t’ - odpovídá době trvání 1/200 s
t’’ – odpovídá době 0,0043 s (odečteno z pomocné tabulky pro výpočet nárazového
kondenzátoru)
t = t’ + t’’ = 5 ms + 2,2 ms = 9,3 ms (2)
Podle vzorečku (4) potom vypočteme velikost nárazového kondenzátoru.
⇒=
⋅Ω=
⋅= F
V
V
ms
Uc
UR
tC
z
N µ8,256
170
4,174ln1417
3,9
ln3
Volíme, tak jako v předchozích případech nejbližší vyšší.
CN3 = 330 µF/385V
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
32
7.2 NÁVRH A VÝPOČET AKO A MKO S OBVODEM 555
Pro tvorbu jednotlivých pulzů, využijeme IO 555, který má 8 pinů. Je vyráběn
celou řadou výrobců s různým značením písmenového kódu, přičemž integrované
obvody jednotlivých výrobců jsou vzájemně kompatibilní. V našem zapojení budeme
používat IO NE555.
IO NE555 může pracovat při napájecím napětí od 4,5 do 16 V s maximálním
výstupním proudem až 200 mA.
V našem případě bude vstupní napětí 5V, takže typická velikost výstupního
napětí bude 3,3 V, což využijeme pro vzorkovací zesilovač, ktarý pracuje s TTL
logikou.
7.2.1 Astabilní klopný obvod
Obrázek 10: Astabilní klopný obvod s IO NE555
Tento stabilní klopný obvod tvoří kmity, patří tedy mezi generátory. Výhodou
je, že nepotřebuje žádné spouštění zvenku, neboť začne pracovat ihned po připojení
napájecího napětí. Napájecí napětí se přivádí k pinům 1 a 8. Vstup 4 se připojuje
také ke kladnému napětí, které vede na bázi vybíjecího tranzistoru. Výstupní pin 5 se
ošetřuje kondenzátorem. Jeho hodnotu není třeba přesně dodržovat, obvyklá je
hodnota Ca = 10 až 100 nF, jehož hodnota je doporučovaná výrobcem.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
33
Vybíjecí vývod “7“ je propojený mezi odpory Ra a Rb, spouštěcí vstup “2“ je
pak přiřazen k vypínacímu vstupu. Spouštěcí a vypínací vstup jsou propojeny proto,
aby vypínání probíhalo samostatně a opakovaně.
Na začátku je časovací kondenzátor (C1) vybitý a spouštěcí vstup “2“ je tak
na nulové úrovni, a proto také R-S klopný obvod, jež je součástí IO 555, má nulovou
výstupní úroveň. Následně , po přivedení napětí, se začne nabíjet přes rezistory Ra a
Rb kondenzátor C1. V okamžiku, kdy hodnota napětí dosáhne 2/3 napájecího napětí,
dojde ke změně na vypínacím komparátoru, prostřednictvím vstupu “6“, a výstup
R-S KO se změní na úroveň |H. V tom okamžiku se otevře vybíjecí tranzistor, takže
pin “7“ se ocitne na nulovém potenciálu a započne vybíjení kondenzátoru.
Napětí klesá až na velikost spouštěcího napětí, nebo-li na hodnotu 1/3
napájecího napětí. Při poklesu na tuto úroveň se začne uplatňovat druhý, spouštěcí
komparátor (vstup “2“ ). Protože se úroveň změnila na L, dojde k uzavření
vybíjecího tranzistoru. A následuje opětovné nabíjení kondenzátoru. Celý cyklus se
stále opakuje.
Obrázek 11: Průběh napětí na kondenzátoru a na výstupu AKO
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
34
Výpočet jednotlivých časových intervalů:
t1 = t4 – t3
(5)
(6)
(7)
(8)
3ln)(3
1
3
1
3
2
)1(3
2
14
)(1
4
)(1
4
)(1
4
)(1
4
⋅+⋅=
=
⋅=
⋅−=
−⋅=
+−
+−
+−
+−
RbRaCt
e
eUccUcc
eUccUccUcc
eUccUcc
RbRaC
t
RbRaC
t
RbRaC
t
RbRaC
t
2
3ln)(
3
2
3
1
1(3
1
13
)(1
3
)(1
3
)(1
3
⋅+=
⋅=
⋅−=
−⋅=
+−
+−
+−
RbRaCt
eUccUcc
eUccUccUcc
eUccUcc
RbRaC
t
RbRaC
t
RbRaC
t
2ln)(2
33
ln)(
2
3ln)(3ln)(
11
11
111
⋅+⋅=
−+⋅=
⋅+−⋅+⋅=
RbRaCt
RbRaCt
RbRaCRbRaCt
2ln3
2
3
1
12
1
2
⋅⋅=
⋅= ⋅−
RbCt
eUccUcc RbC
t
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
35
Nyní již známe jednotlivé vztahy pro výpočet jednotlivých časů, z nichž
nejdůležitější jsou pro nás časy t1 a t2.
Postupovat nyní musíme tak, že navrhneme velikosti součástek takové (Ra,
Rb,C1), aby celková perioda byla rovna periodě Träbertova proudu, což je 7ms,
přitom, ale aby byl čas trvání napěťové úrovně H na výstupu AKO kratší než-li 2ms.
Postupným řešením jsem došel k hodnotám součástek:
- C1= 470 nF
- Ra = 15 kΩ
- Rb = 3,3 kΩ
Kontrola vypočtených časů podle vzorce (7) a (8):
mst
knFt
RbCt
1,1
2ln3,3470
2ln
2
2
12
=⋅Ω⋅=
⋅⋅=
Perioda T = t1 + t2 = 7 ms
Perioda vytvořených impulzů je tedy rovna periodě trvání Träbertova proudu
a nyní tedy můžeme pomocí MKO vytvořit impulzy s požadovanou dobou trvání.
mst
kknFt
RbRaCt
9,5
2ln)3,315(470
2ln)(
1
1
11
=⋅Ω+Ω⋅=
⋅+⋅=
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
36
7.2.2 Monostabilní klopný obvod
Obrázek 12: Monostabilní klopný obvod s IO NE555
Výhodou tohoto zapojení je, že celý obvod pro tvoření pulzů je závislý pouze
na dvou prvcích a to na kondenzátoru a na rezistoru. V případě AKO zde byla
provázána závislost na dvou rezistorech, což byl také důvod, proč jsme nevytvořili
požadované pulzy jím.
V okamžiku, kdy na vstup spouštěcího komparátoru “2“ přivedeme
„záporný“ impulz, dojde k zavření vybíjecího tranzistoru, čímž přestane pin “7“
zkratovat kladné napájecí napětí přicházející na kondenzátor a kondenzátor se začne
nabíjet. Rychlost nabíjení je dána velikostí kondenzátoru a rezistoru. Budou- litedy
hodnoty obou součástek malé, dojde k rychlému nabití a naopak.
V okamžiku, kdy napětí na kondenzátoru dosáhne 2/3 napájecího napětí,
dojde k překlopení vybíjecího tranzistoru a na výstup se vrátí úroveň L.
Nyní se již jen čeká na další „záporný“ impulz, přivedený na pin “2“, aby se
mohlo vše znovu opakovat.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
37
Obrázek 13: Průběh výstupního napětí napětí na kondenzátoru po příchodu
spouštěcího impulzu
Výpočet času trvání výstupního pulzu.:
(9)
Nyní již vhodnou velikostí odporu a kondenzátoru vytvoříme impulz
požadované velikosti.
Postupným řešením jsem došel k hodnotám součástek:
- Rc = 8,2 kΩ
- C2 = 220 nF
3ln3
1
3
2
13
2
2
2
2
2
⋅⋅=
⋅=
⋅−=
−⋅=
⋅−
⋅−
⋅
CRct
eUccUcc
eUccUccUcc
eUccUcc
RcC
t
RcC
t
RcC
t
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
38
Kontrola vypočteného času podle vzorce (9):
mst
nFkt
CRct
2
3ln2202,8
3ln2
=⋅⋅Ω=
⋅⋅=
7.2.3 Tranzistor jako spínač
Jedinou funkcí tohoto tranzistoru bude spínat při příchodu jednotlivých pulzů,
které budou přicházet z monostabilního klopného obvodu. Kolektorovým proudem
tak bude proud, který bude procházet tělem pacienta.
Použitým tranzistorem bude BU 505. Jedná se o vysokonapěťový spínací
tranzistor, jehož proudový zesilovací činitel β je v závislosti na velikosti proudu Ic
(10-2 až 10-1 mA) v rozmezí hodnot 30 až 35 při pokojové teplotě.
Obrázek 14: Zapojení představující tranzistor jako spínač
V zapojení předpokládáme maximální velikost proudu IC, což je proud
tekoucí pacientem, 80 mA a velikost napětí UBE = 0,6 V. Na výstupu z MKO je
typická velikost výstupního napětí 3,3 V. Nyná již vypočítáme velikost proudu IB,
velikost proudu, tekoucího odporem RBE zvolíme jako desetinu proudu bázového.
(10)
(11)
⇒Ω=−=+
−=
Ω===
≅===
8183,3
6,03,3
23,0
6,0
37,230
80
mA
VV
II
UUR
kmA
V
I
UR
mAmAmAI
I
RBEB
BEMKOB
RBE
BEBE
CB β
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
39
Volíme nejbližší nižší RB = 750Ω (12)
Důvodem je zabezpečení dostatečně velkého proudu potřebného k sepnutí
tranzistoru.
7.3 MĚŘENÍ PROUDU PACIENTEM POMOCÍ VOLTMETRU
Ke zjištění proudu, který protéká pacientem budeme potřebovat voltmetr,
pomocí kterého budeme měřit napětí na pomocném odporu o velikosti 1Ω, takže
velikost zobrazovaného napětí bude odpovídat proudu v miliampérech. Dále
využijeme vzorkovací zesilovač a derivační článek pro tvorbu impulsů a obvod pro
změnu kladného napájecího napětí na záporné.
7.3.1 Derivační článek
DD – ochranná dioda
Obrázek 15: Derivační článek
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
40
UMKO – impulz z MKO
UD – průběh napětí bez diod
UDD – průběh napětí s diodou
Obrázek 16: Zobrazení průběhu derivačního článku
Derivační článek nám slouží k vytvoření impulsů, které slouží ke vzorkování
napětí na vzorkovacím zesilovači.
K derivačnímu článku máme také přiřazenu diodu, která je zde z důvodu
odfiltrování záporného impulzu, který by se tu jinak vyskytoval, což je nežádoucí
jev.
Samotná vzorkovací zesilovač používá k rozhodování, zda vzorkovat nebo
ne, 5V TTL logiku a aby došlo k nevzorkování signálu mu postačuje čas 10 µs. My
se spokojíme s tím, když náš impuls bude mít délku 1/10 z celkové délky pulsu, tj.
z 2 ms pulsu 200 µs impuls. Po této době jež chceme, aby úroveň napětí byla menší
než 0,8 V, což je v TTL logice maximální napětí pro logickou úroveň L. Standardní
velikost napětí na výstupu z MKO je 3,3Va maximální výstupní napětí jsou 4V.
Zvolíme si odpor RD = 1 kΩ a dopočítáme velikost kondenzátoru.
Využít k tomu můžeme vzoreček (4), i zde dochází k vybíjení kondenzátoru.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
41
⇒=⋅Ω
=⋅
= nF
V
Vk
s
Uc
UR
tC
z
D 3,124
8,0
4ln1
200
ln
µ
U derivačního článku volíme nižší hodnotu kondenzátoru z důvodu zachování krátké
doby trvání impulzu.
CD = 100nF
7.3.2 Napájení vzorkovacího zesilovače
Vzorkovací zesilovač, v našem případě LF398 lze napájet napětím od ±5 V
do ±18 V. My jej budeme napájet napětím ±5 V. Kladné napětí již máme vytvořené
pro napájení klopných obvodů a využijeme jej tak i zde. K vytvoření napětí -5
V použijeme obvod typu napěťový měnič, v našem případě obvod typu 7660. Tento
obvod umožňuje převádět kladné napětí, v rozsahu +1,5V až 10V, na záporné o
stejné hodnotě. Vytvoříme tak symetrické napájení.
Obrázek 17: Schéma zapojení napěťového měniče
7.3.3 Vzorkovací zesilovač
Vzorkovací zesilovač zde budeme používat pro sledování napětí na odporu
jehož velikost je 1Ω. Vzorkování bude probíhat v okamžiku příchodu impulzu,
v souladu s TTL logikou, na logický vstup. V tomto okamžiku bude probíhat
zapamatovávání si hodnoty napětí na měřeném odporu a to pomocí kondenzátoru Ch.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
42
Kondenzátor Ch je tzv. paměťový kondenzátor a při použití kapacity 0,01 µF
(doporučená hodnota výrobce) bude přidržovací krok 1mV, přičemž k zapamatování
hodnoty stačí méně než-li 10µs.
Obrázek 18: Zapojení Vzorkovacího zesilovače
Na obr.18 je funkční schéma tohoto zesilovače. Na obrázku je možno vidět dva
zesilovače, jeden vstupní a jeden výstupní, přičemž výstupní zesilovač je zapojen
jako sledovač napětí. Ke sledování napětí dochází při sepnutém spínači a aby byl
výsledný přenos obvodu roven 1, nachází se tu záporná napěťová zpětná vazba.
Diody zamezují přebuzení výstupu vstupního zesilovače při rozepnutí spínače, tedy v
okamžiku přechodu do pamatovacího stavu.
Obrázek 19: Funkční schéma obvodu LF398N
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
43
7.4 VYSOKONAPĚŤOVÝ REGULOVATELNÝ ZDROJ
Jako regulovaný zdroj jsme modifikovali vysokonapěťový regulovatelný
zdroj [3], pomocí kterého dochází k regulaci proudu, který má protékat tělem
pacienta. Především došlo k výměně některých součástek, které zde nejsou k dostání,
a ke změně velikosti proudové pojistky.
Tranzistory jsme vyměnili za vysokonapěťový tranzistor BU505, který
splňoval nezbytnou podmínku nízkého proudového zesilovacího činitele. Z důvodu
místní nedostupnosti součástky byl vyměněn i potenciometr, jímž dochází k regulaci
výstupního napětí. Vyměněn byl za přepínač, sériově řazenými odpory a
potenciometrem z důvodu plynulé regulace napětí.
Rezistor R3, který v původním schématu představuje proudovou pojistku, má
velikost 100Ω, a velikost proudové pojistky je 50 mA. Dáno je to napětím na
zenerově diodě (6,2 V) a úbytcích na tranzistorech ( 2x 0,6V). Výpočet pomocí
ohmova zákona. My potřebujeme výstupní proud 80 mA, k tomu je nutný připočíst
proud procházející prvky, kterými regulujeme výstupní napětí. Protože proud
procházející prvky, které regulujeme bude konstantní a to z důvodu, že regulátor se
snaží mít mezi pinem 1 a 3 konstantní napětí 1,25 V. V případě obvodu LM317L jde
o nastavitelný regulátor s maximálním výstupním proudem 100 mA.
Velikost proudu pak vypočítáme pomocí Ohmova Zákona:
mAI
VI
R
UI
8150
25,1
5
=Ω
=
=
Potřebujeme tedy vypočíst velikost proudové pojistky na proud 88 mA.
Pomocí ohmova zákona dojdeme k velikosti odporu R3 = 56,5 Ω. Velikost odporu
nastavíme použitím paralelní kombinací odporů 130 Ω a 100 Ω.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
44
7.5 SCHÉMA ZAPOJENÍ ( DVĚ ČÁSTI )
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
45
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
46
7.6 SEZNAM POUŽITÝCH SOU ČÁSTEK
D1 až D12 – usměrňovací diody - 1N4007
DD – univerzální dioda - 1N4148
DZ1 - zenerova dioda - BZX84C6,2V
DZ2 – univerzální dioda - 1N4007
R1 – 100kΩ/0,6W ±1%
R2 - 1kΩ/0,6W ±1%
R3x – 130Ω/0,6W ±0,1%
R3y – 100Ω/0,6W ±0,1%
R4 - 100Ω/0,6W ±1%
R5 – 150 Ω/0,6W ±1%
R6 - 10 kΩ/4W ±10% - potenciometr - PC4WK010
R7 – 2,7Ω/0,6W ±1%
Rx1 až Rx10 – 1 kΩ/0,6W ±1%
R – 1Ω/0,6W ±0,1%
Ra – 15 kΩ/0,6W ±1%
Rb – 3,3 kΩ/0,6W ±1%
Rc – 8,2 kΩ/0,6W ±1%
RB – 750 Ω/0,6W ±1%
RBE - 2 kΩ/0,6W ±1%
RD - 1 kΩ/0,6W ±1%
C – FKP1 10N/1600V ±5% - foliový
CI1 - CF1-330N/63V ±5% - foliový
CI2 – CF1-330N/63V ±5% - foliový
CO1 - CF1-100N/63V ±5% - foliový
CO2 – CF1-100N/63V ±5% - foliový
CN1 – E220M/16V ±20 % - elektrolytický
CN2 – E22M/25V ±20 % - elektrolytický
CN3 – E330M/385V ±20 % - elektrolytický
C1 – E1M/250V ±20 % - elektrolytický
C2 – E1M/250V ±20 % - elektrolytický
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
47
CM - E10M/10VS ±20 % - elektrolytický
Ch – CF1-10N ±5% - foliový
C1A – CF1-470N ±5% - foliový
C2A – CF1-220N ±5% - foliový
Ca – CF1-10N ±5% - foliový
Cb – CF1-10N ±5% - foliový
CD – CF1-100N ±5% - foliový
T1 – BU550 - vysokonapěťový spínací tranzistor
T2 –BU550 - vysokonapěťový spínací tranzistor
T3 - BU550 - vysokonapěťový spínací tranzistor
F1 – pojistka MST 250,034,6608 0,2 A/250 V
S1 – spínač P-B100G 1x3 A/250 V
IO 78L05
IO 78L08
7660ACBA - DC/DC měnič
LM317L – nastavitelný regulátor
TL431 – napěťová reference
LF398N
P-DS1PC otočný přepínač 1 × 12
HD-3128 LCD metr 3 1/2 místný
NE555 – 2 x IO NE555
Transformátor – primární vinutí: 230V
- sekundární vynutí: - 137 V (28,7 VA)
- 12 V (0,3 VA)
- 9 V (1,0 VA)
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
48
8. ZÁVĚR
Tato práce se zabývá návrhem jednoduchého generátoru Träbertových
proudů. Zařízení je navrženo pro napájení ze sítě, kde se v rámci normy může
vyskytovat napětí v širokém rozmezí 207 až 253 V a je s tím počítáno při návrzích
jednotlivých částí obvodu. Pro napájení napěťových stabilizátorů počítáme s nižším
napětím v síti z důvodu poklesu napětí na nárazovém kondenzátoru, protože musí být
splněn rozdíl napětí mezi vstupem a výstupem každého z napěťových stabilizátorů.
S vyšším napětím počítáme především v případě maximálního napěťového zatížení
součástek, kdy by při překročení napětí mohlo dojít k jejich destrukci. Této znalosti
jsme využili i při návrhu vysokonapěťového nastavitelného regulátoru.
ÚSTAV AUTOMATIZACE A M ĚŘICÍ TECHNIKY
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vysoké učení technické v Brně
49
9. LITERATURA
[1] CAPKO, J Základy fyziatrické léčby. GRADA AVICENUM 1998
[2] http://www.cordeus.cz/wrd/electro.doc
[3] http://www.national.com/ms/LB/LB-47.pdf
[4] Poděbradský Jiří, Vařeka Ivan: Fyzikální terapie I a II. GRADA
AVICENUM 1998
[5] http://vnl.xf.cz/biofyz_zapisky.php
[6] http://www.datasheetcatalog.com/ (katalogové listy k jednotlivým
součástkám)
[7] Katalog GM 2008
[8] http://measure.feld.cvut.cz/groups/edu/x38PAS/ulohy/VzorkovaciZesil
ovac.pdf